HEISSGASMASCHINE MIT STUFENKOLBEN

Abstract

 Es wird eine Heißgasmaschine, insbesondere ein Stirlingmaschine beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Heißgasmaschine ein Getriebe, das in einem Getrieberaum angeordnet ist, in dem Umgebungsdruck herrscht, und einen in einem Zylinder angeordneten doppeltwirkenden Stufenkolben, der einen ersten Abschnitt mit einen größeren Durchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser aufweist. Der Stufenkolben ist zumindest teilweise hohl und weist im inneren eine Kolbenstange auf, die mit dem Getriebe mechanisch gekoppelt ist. Der dem Getriebe zugewandte zweite Abschnitt des Stufenkolbens mündet in einen Pufferraum für das Arbeitsgas der Heißgasmaschine, wobei im Inneren des Stufenkolbens zumindest ein Teil einer Dichtungsvorrichtung angeordnet ist, welche eine Durchführung der Kolbenstange zwischen Pufferraum und Getrieberaum abdichtet.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Beschreibung betrifft eine Heißgasmaschine mit zumindest einem doppelt wirkenden Verdränger- oder Arbeitskolben, beispielsweise eine Stirlingmaschine.

HINTERGRUND

[0002] Stirlingmaschinen sind vermutlich die bekanntesten Vertreter von Heißgasmaschinen. Sofern Luft als Arbeitsgas verwendet wird, ist auch der Begriff Heißluftmaschine gebräuchlich. Einige solcher Maschinen können sowohl als Motor mit externer Verbrennung, als auch als Wärmepumpe oder Kältemaschine betrieben werden. Andere bekannte Typen von Heißgasmaschinen sind z.B. der Manson-Motor, der Ericsson-Motor, etc. Heutzutage wird der Begriff "Stirlingmaschine" als Sammelbegriff für unterschiedliche Heißgasmaschinen mit einem abgeschlossenen Gaskreislauf (d.h. das Arbeitsgas zirkuliert ausschließlich innerhalb der Maschine ohne Kontakt zur umgebenden Atmosphäre) verwendet. Bei Stirlingmaschinen können drei grundlegende Typen unterschieden werden, die als Alpha-Typ, Beta-Typ und Gamma-Typ bezeichnet werden, wobei wiederum verschiedener Varianten der einzelnen Typen, teilweise unter speziellen Namen bekannt geworden sind (z.B. Rider-Motor, Siemens-Motor, etc.). Darüber hinaus wird beim Alpha-Typ noch zwischen einfachwirkenden und doppeltwirkenden Maschinen unterschieden. Von allen diesen Typen ist eine Vielzahl spezifischer Bauweisen bekannt. Die verschiedenen Typen und Bauweisen von Stirlingmaschinen haben unter verschiedenen Gesichtspunkten jeweils Vorund Nachteile. Der Erfinder hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine verbesserte Heißgasmaschine zu schaffen, welche gewisse Nachteile von Stirlingmaschinen mit Verdrängerkolben (Beta- und Gamma-Typ) oder mit doppeltwirkenden Arbeitskolben (doppeltwirkender Alpha-Typ) und anderen Typen von Heißgasmaschinen vermeidet.

ZUSAMMENFASSUNG

[0003] Die oben genannte Aufgabe wird durch die Stirlingmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0004] Es wird eine Heißgasmaschine beschrieben, die gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ein Getriebe (Triebwerk, Kurbeltrieb) mit einem Pleuel sowie einen in einem Zylinder angeordneten doppeltwirkenden Stufenkolben aufweist. Der Stufenkolben hat einen ersten Abschnitt mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser und ist zumindest teilweise hohl. Das Pleuel verläuft innen durch den zweiten Abschnitt hindurch und ist im ersten Abschnitt des Stufenkolbens angelenkt.

[0005] In einem allgemeinen Ausführungsbeispiel weist die Heißgasmaschine ein Getriebe mit einem Pleuel sowie einen in einem Zylinder angeordneten doppeltwirkenden Kolben (Differentialkolben) auf. Zylinder und Kolben sind so ausgestaltet, dass in dem Zylinder ein ringförmiger Zylinderraum gebildet wird, wobei der Kolben zumindest teilweise hohl ist, und das Pleuel im Inneren des Kolbens an einer Position angelenkt ist, sodass der ringförmige Zylinderraum um das Pleuel herum verläuft. Der Kolben kann entweder ein als Stufenkolben ausgebildeter Differentialkolben oder ein Differentialkolben sein, der auf außen auf einem koaxial zum Zylinder angeordneten Rohr geführt wird, das in den Zylinderinnenraum hinein ragt, wodurch der ringförmige Zylinderraum unter dem Kolben gebildet wird.

[0006] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Heißgasmaschine, ein Getriebe mit einem Pleuel, einen Zylinder sowie ein Rohr auf, das zumindest teilweise im Inneren des Zylinders angeordnet ist. Ein Ende eines zumindest teilweise hohlen Differentialkolbens ist zwischen Rohr und der Innenwand des Zylinders angeordnet, sodass ein ringförmiger Zylinderraum gebildet wird. Das Pleuel verläuft durch das Rohr hindurch und ist im Inneren des Differentialkolbens an diesem angelenkt.

[0007] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Heißgasmaschine ein Getriebe auf, das in einem Getrieberaum angeordnet ist, in dem Umgebungsdruck herrscht. Die Stirlingmaschine weist weiter einen in einem Zylinder angeordneten doppeltwirkenden Stufenkolben auf, der einen ersten Abschnitt mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser hat. Der Stufenkolben ist zumindest teilweise hohl und weist im Inneren eine Kolbenstange auf, die mechanisch mit dem Getriebe gekoppelt ist. Der dem Getriebe zugewandte zweite Abschnitt des Stufenkolbens mündet in einen Pufferraum für das Arbeitsgas der Stirlingmaschine, und im Inneren des Stufenkolbens ist zumindest ein Teil einer Dichtungsvorrichtung angeordnet, die eine Durchführung der Kolbenstange zwischen Pufferraum und Getrieberaum abdichtet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

[0008] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen:

Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ.

Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer Stirlingmaschine vom doppelt wirkenden Alpha-Typ.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ mit einem als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kolben-Zylindereinheit einer Stirlingmaschine vom doppelt wirkenden Alpha-Typ mit einem als Stufenkolben ausgebildeten Arbeitskolben.

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ-ähnlich wie Fig. 3, wobei der Arbeitskolben als (einfach wirkender) Stufenkolben ausgebildet ist..

Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ, die, was die Funktion betrifft, ähnlich zu dem Beispiel aus Fig. 5 ist, jedoch parallel angeordnete Kolben und Zylinder aufweist.

Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ, die, was die Funktion betrifft, ähnlich zu dem Beispiel aus Fig. 6 ist, jedoch als Kurbeltrieb eine sogenanntes Ross-Yoke-Getriebe aufweist.

Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kolben-Zylindereinheit einer Stirlingmaschine vom doppelt wirkenden Alpha-Typ als Stufenkolben ausgebildeten Arbeitskolben, die über ein Taumelscheibengetriebe mit einer Welle gekoppelt sind.

Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Beta-Typ mit einem als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben.

Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches, was die Funktion und die Kinematik betrifft, praktisch äquivalent zu dem Beispiel aus Fig. 3 ist; als Verdrängerkolben wird allerdings statt eines Stufenkolbens ein zumindest teilweise hohler Differentialkolben verwendet, der zwischen einem Rohr, das in den Zylinder hineinragt, und der Zylinderinnenwand angeordnet ist.

Figur 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches, was die Funktion und die Kinematik betrifft, praktisch äquivalent zu dem Bespiel aus Fig. 5 ist, wobei als Verdrängerkolben statt eines Stufenkolbens ein zumindest teilweise hohler Differentialkolben und als Arbeitskolben ein Ringkolben verwendet wird, wobei sowohl der Differentialkolben als auch der Ringkolben jeweils zwischen einem Rohr, das in den jeweiligen Zylinder hineinragt, und der Zylinderinnenwand angeordnet sind.

Figur 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kolben-Zylindereinheit einer Stirlingmaschine vom doppelt wirkenden Alpha-Typ (ähnlich wie in Fig. 4) mit einem Arbeitskolben, der als Differentialkolben ausgebildet ist, der zwischen einem Rohr, das in den Zylinder hineinragt, und der Zylinderinnenwand angeordnet ist.

Figur 13 illustriert zeigt ein Beispiel eines Manson-Motors mit einem Stufenkolben gemäß der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele.

Figur 14 zeigt eine alternative Kopplung zwischen Stufenkolben und Kurbeltrieb einer Stirlingmaschine gemäß Fig. 4.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

[0009] Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen hauptsächlich unterschiedliche Typen von Stirlingmaschinen. Die hier beschriebenen Konzepte (insbesondere die die Grundform der Kolben und dessen mechanische Kopplung mit dem Getriebe) sind jedoch zumindest teilweise auf andere Typen von Heißgasmaschinen übertragbar. Zudem können die anhand der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen erläuterten Bauformen von Zylinder und Kolben bei mehrzylindrigen Maschinen beliebig kombiniert werden. Fig. 1 zeigt exemplarisch den Aufbau einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ. Die Wirkungsweise einer solchen Stirlingmaschine vom Gamma-Typ beruht darauf, dass beispielsweise ein über einen Kurbeltrieb (z.B. mit Kurbelwelle 10 und Pleuel 12) betätigter Verdrängerkolben VK in einem Verdrängerzylinder VZ das Arbeitsgas wechselweise über Wärmetauscher (Erhitzer E), Regenerator R und Kühler K zwischen einer "heißen" Seite H und einer "kühlen" Seite C des Verdrängerzylinders VZ hin und her befördert. Die dabei entstehenden Druckänderungen wirken auf einen Arbeitskolben AK (rechts in Fig. 1), der die resultierenden Kräfte auf die Kurbelwelle 10 überträgt und dort ein Drehmoment erzeugt. Die Kolbenstange 13 des Verdrängerkolbens VK ist über eine Durchführung aus dem Verdrängerzylinder VZ herausgeführt (Dichtung 30) und über ein kurzes Pleuel 12 mit der Kurbelwelle 10 verbunden. Der mit beispielsweise 90 Grad hinter dem Verdrängerkolben VK nachlaufende Arbeitskolben AK ist über eine Leitung L mit dem Verdrängerzylinder VZ verbunden. Nicht dargestellt sind Einrichtungen zur Führung des Pleuelkopfes zwecks Aufnahme der Seitenkraft. Verschiedene Beispiele sind in den Publikationen WO 2009/082997A2 und DE 102 29 442 A1 beschrieben.

[0010] Eine mit dem im Verdrängerzylinder VZ angeordneten Verdrängerkolben VK beim Gamma-Typ (siehe Fig. 1) vergleichbare Konstruktion wird bei einer doppeltwirkenden Stirlingmaschine vom Alpha-Typ (auch Siemens-Typ genannt) verwendet, die in Fig. 2 exemplarisch dargestellt ist. Anders als der Gamma-Typ aus Fig. 1 weist eine doppeltwirkende Stirlingmaschine vom Alpha-Typ allerdings keinen separaten Verdrängerkolben bzw. Verdrängerzylinder, sondern mehrere miteinander verbundene Arbeitskolben-Arbeitszylindereinheiten. Dabei ist - wie in Fig. 2 dargestellt - das heiße Ende H eines Arbeitszylinders AZ jeweils über Erhitzer E, Regenerator R und Kühler K mit dem kalten Ende C des nächsten Arbeitszylinders AZ' verbunden. Insofern funktioniert dieser Typ nur bei Maschinen mit mehreren Zylindern. Häufig werden - wie in Fig. 2 gezeigt - vier Kolben-Zylindereinheiten eingesetzt, die jeweils gleich aufgebaut sind und deren Kolben um jeweils 90 Grad (bezogen auf eine volle Umdrehung der Kurbelwelle) phasenversetzt arbeiten. Die Winkelpositionen der einzelnen Arbeitskolben sind in Fig. 2 eingezeichnet. Es sind auch Maschinen mit mehr als vier Kolben-Zylindereinheiten möglich. Nicht dargestellt sind Einrichtungen zur Führung des Pleuelkopfes zwecks Aufnahme der Seitenkraft. Die dargestellte doppeltwirkende Stirlingmaschine wird auch als Siemens-Heißgasmotor bezeichnet. Verschiedene weitere Beispiele sind in den Publikationen US 3,940,934, US 4,069,671 und US 4,195,554 beschrieben

[0011] Beiden Beispielen aus Fig. 1 und 2 ist gemeinsam, dass der Kolben (Verdrängerkolben VK beim Gamma-Typ, vgl. Fig. 1, bzw. der Arbeitskolben AK beim doppelt-wirkenden Alpha-Typ, vgl. Fig. 2) innerhalb eines gasdichten, mit Arbeitsgas gefüllten Zylinders (Verdrängerzylinder VZ beim Gamma-Typ bzw. Arbeitszylinder AZ beim doppeltwirkenden Alpha-Typ) bewegt wird. Die Kolbenkraft wird über eine am Kolben VK bzw. AK befestigte Kolbenstange 13 übertragen. Die Kolbenstange 13 ist in den dargestellten Beispielen am kühlen Ende C des Zylinders VZ bzw. AZ durch eine Öffnung geführt und abgedichtet (siehe Fig. 1, Dichtung 30). Das nach außen geführte Ende der Kolbenstange 13 kann mit einem Pleuel eines Kurbeltriebes (z.B. Pleuel 12, Kurbelwelle 10) verbunden sein, der die oszillierenden Bewegungen vorgibt. Der Begriff Kolbenstange bezeichnet in Bezug auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele eine Stange, die mit dem jeweiligen Kolben starr (nicht schwenkbar) verbunden ist, sodass die Kolbenstange sich nur entlang der Kolbenlängsachse S bewegen kann. Im Gegensatz dazu ist ein Pleuel gegenüber der Kolbenlängsachse S schwenkbar gelagert.

[0012] Bei den dargestellten Konstruktionen nimmt die Kolbenstange 13 im Bereich der Durchführung aus dem Zylinder VZ (vgl. Fig. 1) bzw. AZ (vgl. Fig. 2) jene Seitenkräfte auf, welche von der Schrägstellung des Pleuels 12 verursacht werden. Diese Seitenkräfte können in Bezug auf die Lagerung der Kolbenstange 13 problematisch sein. In manchen Konstruktionen werden daher zusätzliche Längsführungen - beispielsweise Kreuzkopfführungen - angebracht, um die Kolbenstange 13 zu entlasten. Derartige Maschinenelemente können jedoch zu einer Vergrößerung der Bauhöhe der gesamten Anordnung führen, weshalb meist relativ kurze Pleuel 12 eingesetzt werden. Diese wiederum bewirken ein ungünstiges Verhältnis von Kurbelradius r_K zu Pleuellänge l_p (Lambda-Wert, siehe Fig. 1), was sich sowohl in Bezug auf hohe Seitenkräfte als auch auf einen hohen Anteil von Massenkräften zweiter Ordnung auswirkt. Darüber hinaus kann es für den thermodynamischen Prozess der Stirlingmaschine ungünstig sein, wenn die Kolbenbewegung stark von einem sinusförmigen Verlauf abweicht.

[0013] Bei ölgeschmiertem Kurbeltrieb kann es erforderlich sein, entlang der Kolbenstange 13 Maßnahmen zu treffen, damit das Öl nicht in den Prozessraum bzw. in das Arbeitsgas gelangen kann. Solche Abdichtungen können zusätzlich zur Verlängerung der Bauhöhe der Stirlingmaschine beitragen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass ein Kurbelrieb im Allgemeinen als eine mechanische Funktionseinheit betrachtet wird, die dazu ausgebildet ist, eine oszillierende translatorische Bewegung der Kolben in eine Rotation umzuwandeln. Ein Kurbeltrieb muss also nicht notwendigerweise so ausgestaltet sein wie in den Beispielen gemäß Fig. 1 oder 2, bei denen die Pleuel direkt an einer Kurbelwelle abgelenkt sind. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Kurbeltrieb einen Ross-Yoke-Mechanismus aufweisen. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann eine Taumelscheibe mit der Welle verbunden sein, um die oszillierende Bewegung der Kolben in eine Rotation umzuwandeln.

[0014] Fig. 3 zeigt exemplarisch ein verbessertes Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ. Das dargestellte Beispiel ist im Wesentlichen gleich wie das Beispiel aus Fig. 1, jedoch weist der Verdrängerkolben VK an seinem unteren Ende (an der "kühlen" Seite C) statt der Kolbenstange 13 einen Hohlzylinder (Rohr) mit einem Außendurchmesser d auf, der kleiner ist als der Außendurchmesser D des oberen Teils des Kolbens VK. In anderen Worten, der Kolben VK ist ein als (doppeltwirkender) Stufenkolben ausgebildeter Differentialkolben, der einen ersten Abschnitt S₁ mit einen größeren Durchmesser D und einen zweiten Abschnitt S₂ mit einem kleineren Durchmesser d aufweist.

[0015] Der als Stufenkolben ausgebildete Verdrängerkolben VK ist zumindest teilweise hohl, und der Hohlzylinder mit Durchmesser d (Abschnitt S₂ des Stufenkolbens) ermöglicht eine Durchführung für eine ausreichend lange Pleuelstange 12, deren oberes Ende im Inneren des Stufenkolbens VK im Bereich des größeren Durchmessers D (Abschnitt S₁ des Stufenkolbens VK) an diesem angelenkt ist. Die Pleuelstange 12 ist also nicht am unteren Ende des Kolbens VK mit diesem verbunden, sondern reicht weit in den Kolben VK bis in den Abschnitt S₁ hinein. Im Vergleich zu dem Beispiel aus Fig. 1 kann dadurch die Pleuelstange 12 deutlich länger ausgeführt werden. Der Bereich des größeren Durchmessers D (Abschnitt S₁) ist in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen klar abgegrenzt und liegt (in axialer Richtung) oberhalb der Stufe im Stufenkolben, an der sich der Durchmesser vom kleineren Wert d auf den größeren Wert D aufweitet. Wenn der Übergang vom kleineren Durchmesser d auf den größeren Durchmesser D nicht in einer Stufe, sondern graduell erfolgt, ist der Bereich S₁ des größeren Durchmessers jener (axiale) Zylinderabschnitt, in dem der Durchmesser größer ist als der kleine Durchmesser d.

[0016] Die Schwenkachse des Pleuels 12 ist mit A bezeichnet. Das Pleuel 12 kann mittels unterschiedlicher Typen von Lagern im Kolben angelenkt sein. Beispielsweise kann ein zylindrisches Gleitlager oder Wälzlager verwendet werden. Alternativ kann ein sphärisches Gelenklager verwendet werden. Dieses kann z.B. am oberen Ende des Pleuels 12 angeordnet sein. Das Pleuel ist wie erwähnt im ersten Abschnitt S₁ (in dem der Durchmesser des Kolbens VK größer als der kleine Durchmesser d ist) des Stufenkolbens angelenkt. Das bedeutet, dass die Schwenkachse A des Pleuels 12 in dem Abschnitt S₁ liegt.

[0017] Zur Aufnahme der Kolben-Seitenkraft senkrecht zur Mittelachse S des Verdrängerzylinders VZ kann es sinnvoll sein, sowohl im Bereich des großen Durchmessers D (Abschnitt S₁) des Stufenkolbens VK als auch im Bereich des kleinen Durchmessers d (Abschnitt S₂) jeweils ein Führungselement F (Gleitflächen) vorzusehen. Wegen des niedrigen Verhältnisses Kurbelradius/Pleuellänge ist die Kolbenkraft senkrecht zur Kolbenmittelachse S verhältnismäßig gering. Da sich diese Kraft auf die beiden Führungsflächen F aufteilt, tritt eine äußerst geringe spezifische Flächenbelastung der Gleitflächen auf. Diese Anordnung erlaubt die Verwendung von ölfreien Gleitelementen als Führungselemente F, beispielsweise aus PTFE-Graphit-Compounds mit niedrigem Reibungskoeffizienten. Die beiden Gleitelemente F sorgen darüber hinaus für eine exakte Linearführung des Kolbens VK und verhindern Kippbewegungen, wie sie bei einteiligen oder eng beabstandeten Führungselementen auftreten können.

[0018] Die Dimensionierung der Durchmesser des Stufenkolbens VK kann beispielsweise derart erfolgen, dass der kleinere Durchmesser d des Stufenkolbens (Außendurchmesser Hohlzylinder) etwa 70% vom größeren Durchmesser D des Stufenkolbens aufweist, entsprechend einer Flächenaufteilung der sich bildenden Kreisringfläche ((D²-d²)×π/4) im Verhältnis zu der vom Hohlzylinder definierten Kreisfläche (d²×π/4) von rund 1: 1. Zwischen dem zweiten Abschnitt S₂ des Stufenkolbens VK und der Zylinderoberfläche befindet sich ein Ringvolumen, welches im Betrieb mit gekühltem Arbeitsgas gefüllt ist. Der Bereich unterhalb der Stufe des Stufenzylinders ist demnach die "kühle Seite" C des Stufenkolbens VK bzw. des Verdrängerzylinders VZ. Das Zylindervolumen im Verdrängerzylinder VZ oberhalb des Stufenkolbens VK ist im Betrieb mit heißem Arbeitsgas gefüllt. Der Bereich oberhalb des ersten Abschnitts S₁ des Stufenkolbens VK ist demnach die "heiße Seite" H.

[0019] Im zweiten Abschnitt S₂ des Stufenkolbens VK ist ein Dichtring 20 angeordnet. Gleichermaßen ist im ersten Abschnitt S₁ des Stufenkolbens VK ein weiterer Dichtring 21 angeordnet. Der Dichtring 21 dichtet die heiße Seite H gegen die kühle Seite C des Verdrängerzylinders VZ ab, wohingegen der Dichtring 20 die kühle Seite C des Verdrängerzylinders VZ gegen einen darunter liegenden Pufferraum P abdichtet (vgl. auch Fig. 4, wobei dort der Stufenkolben ein Arbeitskolben einer doppelt wirkenden Alpha-Maschine ist und als Dichtringe Kolbenringe vorgesehen sind). Im dargestellten Fall einer Gamma-Maschine sind die heiße Seite H und die kühle Seite C des Verdrängerzylinders VZ über Erhitzer E, Regenerator R und Kühler K verbunden, weswegen auf beiden Seiten im Wesentlichen der gleiche Druck herrscht. Der Dichtring 21 dient also im Wesentlichen dazu, ein Durchströmen (Leckage) von Prozessgas zwischen dem Stufenkolben VK und der Zylinderinnenwand zu verhindern. Im Gegensatz dazu muss der Dichtring 20 den Innenraum des Verdrängerzylinders VZ gegen den Pufferraum P hin abdichten, weshalb der Dichtring 20 in der Regel als Kolbenring ausgebildet sein wird. Gleichermaßen muss die am Arbeitskolben AK angeordnete Dichtung 22 den Arbeitsraum des Arbeitszylinders AZ gegen einen darunter liegenden Pufferraum P abdichten, weshalb die Dichtung 22 in der Regel ebenfalls als Kolbenring ausgebildet sein wird.

[0020] In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es nicht wichtig, ob die Kolbenführungen F und Kolbendichtungen 20, 21 (Kolbenringe) am bzw. im Kolben als sich mit dem Kolben bewegende Elemente montiert sind oder an der Zylinderinnenseite als fixe, sich nicht bewegende Elemente angeordnet sind und entlang des Kolbenschaftes gleiten. Am Beispiel Fig. 3 sind der Kolbenring 21 und das Führungselement F im Bereich des großen Durchmessers D des Stufenkolbens angeordnet und die Elemente gleiten dementsprechend an der Innenwand des Zylinders VZ. Im Gegensatz dazu sind im Bereich des kleinen Durchmessers d des Stufenkolbens das Führungselement F und der Kolbenring 20 feststehend an der Zylinderinnenseite angebracht. Die genannten Montagesituationen keine Auswirkung auf die Funktion der Stirlingmaschine haben, kann eine beliebige, für eine bestimmte Konstruktion am besten geeignete Variante gewählt werden. Daher wird in den weiteren Erläuterungen nicht mehr auf diesen Aspekt eingegangen.

[0021] Fig. 4 zeigt exemplarisch ein verbessertes Ausführungsbeispiel einer Kolben-Zylindereinheit, einer doppelt wirkenden Stirlingmaschine vom Alpha-Typ. Von dieser Kolben-Zylindereinheit können mehrere (z.B. vier wie in dem Beispiel aus Fig. 2) zu einer doppelt wirkenden Alpha-Maschine gekoppelt werden. Das dargestellte Beispiel ist im Wesentlichen gleich wie die Kolben-Zylindereinheiten in dem Beispiel aus Fig. 2, jedoch weisen die Arbeitskolben AK, AK` an ihrem unteren Ende (an der "kühlen" Seite C) statt der Kolbenstangen 13 jeweils einen Hohlzylinder (Rohr) mit Durchmesser d auf, der kleiner ist als der Durchmesser D des oberen Teils des jeweiligen Kolbens AK, AK'. Für sich genommen können die Arbeitskolben AK im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen gleich konstruiert sein wie der als Stufenkolben ausgebildete Verdrängerkolben VK in dem vorherigen Beispiel aus Fig. 3, und auf die dazugehörige obige Beschreibung wird Bezug genommen. Die Funktionsweise der beiden Motortypen in Fig. 3 und 4 ist jedoch unterschiedlich (vgl. obige Beschreibung der Fig. 1 und 2). Die als Stufenkolben ausgebildeten Arbeitskolben AK können sich von dem als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben VK aus dem vorherigen Beispiel jedoch beispielsweise in den Dichtungen unterscheiden. Die Dichtringe 20 und 21 können im vorliegenden Fall beide als (druckbelastete) Kolbenringe ausgebildet sein, da sie den Druckunterschied zwischen der heißen Seite H (Expansionsraum) und der kühlen Seite C (Kompressionsraum) der Arbeitszylinder AZ, AZ' standhalten müssen.

[0022] Bei ölgeschmiertem Kurbeltrieb besteht die Möglichkeit, Ölabstreifelemente A (Ölabstreifringe) im Bereich der Führung des kleinen Kolbendurchmessers (Abschnitt S₂) anzubringen, ohne die Baulänge der Maschine wesentlich zu vergrößern. Ein niedriger Lambda-Wert (r_K/l_P) ermöglicht eine annähernd sinusförmige Kolbenbewegung einhergehend mit geringen Massenkräften zweiter Ordnung und einen günstigen Verlauf der Gasmassenströmung durch Erhitzer E, Regenerator R und Kühler K. In der Darstellung gemäß Fig. 4 befindet sich der Arbeitskolben AK ungefähr in Mittelstellung, weshalb an der Kurbelwelle 10 keine Kröpfung sichtbar ist.

[0023] Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ, die ähnlich aufgebaut ist und wie das Beispiel aus Fig. 3. Anders als in Fig. 3 ist der Arbeitskolben AK jedoch als einfach wirkender Stufenkolben ausgebildet. Der Stufenkolben weist einen ersten Abschnitt Si` mit einem größeren Außendurchmesser D' und einen zweiten Abschnitt S₂' mit einem kleineren Außendurchmesser d' auf. Der Arbeitsraum AR des Arbeitszylinders AZ ist der Ringraum, der zwischen der Zylinderinnenwand und dem zweiten Abschnitt S₂' des Stufenkolbens gebildet wird. Die Verbindungsleitung L zischen der kühlen Seite C des Verdrängerzylinders VZ und dem Arbeitszylinder mündet folglich in den erwähnten Ringraum (Zylinderraum AR).

[0024] Der Arbeitskolben AK weist entlang seiner Längsachse eine durchgehende Öffnung auf, sodass zwischen dem Pufferraum P und dem Zylinderraum P' an der Stirnfläche des Arbeitskolbens AK ein Druckausgleich stattfinden kann. Die in Fig. 5 eingezeichneten Pfeile, die durch den Arbeitskolben hindurch verlaufen, zeigen an, dass durch die Öffnung im Arbeitskolben AK hindurch eine Gasströmung möglich ist, was den erwähnten Druckausgleich ermöglicht. Das mit dem Arbeitskolben AK gekoppelte Pleuel 12 ist - ähnlich wie beim Verdrängerkolben VK - im Inneren des Arbeitskolbens AK im Bereich Si` des größeren Durchmessers D' angelenkt. Der Dichtring 23 dichtet den Zylinderraum AR (Arbeitsraum/Ringraum) des Arbeitszylinders AZ zum Pufferraum P hin ab. Gleichermaßen dichtet der Dichtring 22 Arbeitsraum AR zum stirnseitigen Zylinderraum P' ab, in dem der gleiche Druck herrscht wie im Pufferraum P. Beide Dichtungen 22, 23 können als Kolbenringe ausgebildet sein. Im Übrigen (insbesondere in Bezug auf den Verdrängerzylinder VZ und den Kurbeltrieb) wird auf die Beschreibung zu Fig. 3 verwiesen. Im Vergleich zu dem Beispiel aus Fig. 3 ermöglicht die Variante aus Fig. 5 eine kürzere Leitung L zwischen Verdrängerzylinder VZ und Arbeitszylinder AZ und folglich einen kleineren Totraum, bei vergleichsweise langem Pleuel 11.

[0025] Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ, welche - was die Funktion und die Ausgestaltung der Kolben betrifft - dem vorherigen Beispiel aus Fig. 5 sehr ähnlich ist. Der wesentliche Unterschied zwischen den Beispielen aus Fig. 5 und 6 besteht in der Lage der Zylinder relativ zueinander. Gemäß Fig. 6 liegen die Längsachsen S und S' von Verdrängerzylinder VZ und Arbeitszylinder AZ parallel, wohingegen im vorherigen Beispiel die Längsachsen S und S' im Wesentlichen einen rechten Winkel einschließen und somit einen V-Motor bilden. Die parallele Anordnung der Zylinder ermöglicht im Vergleich zu dem vorherigen Beispiel eine noch kürzere Leitungsverbindung L zwischen Verdrängerzylinder VZ und Arbeitszylinder AZ und folglich einen noch kleineren Totraum. Im Übrigen wird auf die Beschreibung zu den Fig. 3 und 5 verwiesen.

[0026] Fig. 7 zeigt eine Variante des Beispiels aus Fig. 6. Der wesentliche Unterschied zwischen den Beispielen aus Fig. 6 und 7 besteht in dem Kurbeltrieb, der gemäß Fig. 7 einen sogenannten Ross-Yoke-Mechanismus aufweist. Beim Ross-Yoke verbinden die Pleuel 11 und 12 nicht direkt die Kolben mit der Kurbelwelle 10, sondern die den Kolben abgewandten Enden der Pleuel 11 und 12 sind an einer Wippe 14 (Joch, Yoke) angelenkt, welche die oszillierende Bewegung der Kolben auf die Kurbelwelle 10 überträgt. Die Wippe 14 ist zusätzlich über ein weiteres Pleuel 13 an dem Getriebegehäuse gelagert. Ein derartiger Ross-Yoke-Mechanismus ist an sich bekannt und wird daher nicht näher erläutert. Abgesehen vom Kurbeltrieb ist das Beispiel aus Fig. 7 praktisch gleich aufgebaut wie das Beispiel aus Fig. 6 und es wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

[0027] Fig. 8 zeigt eine Variante des Beispiels aus Fig. 4, wobei vier oder mehr Zylindereinheiten (Arbeitszylinder AZ; Arbeitszylinder AZ') über ein Taumelscheibengetriebe eine Abtriebswelle 10 antreiben. In der in Fig. 8 gezeigten Schnittansicht sind zwei (in Bezug auf das Getriebe) gegenüberliegende angeordnete Zylindereinheiten dargestellt. In diesem Fall wird die "Kurbel" der Welle 10 durch die schräg stehende Taumelscheibe gebildet, an der die Pleuel 11 und 12 angelenkt sind (z.B. mittels sphärischer Lager). Taumelscheibengetriebe sind an sich bekannt und werden deshalb hier nicht weiter erläutert.

[0028] Ähnlich wie in dem Beispiel aus Fig. 2 sind mindestens vier Zylindereinheiten nötig, die eine doppelt wirkende Stirlingmaschine vom Alpha-Typ bilden. Die Box rechts unten in Fig. 8 zeigt eine schematische Draufsicht, in der dargestellt wird, wie ein derartiger Motor aufgebaut sein kann. Jeweils zwei Zylinder AZ und AZ' sind in den Ebenen E₁ und E₂ angeordnet, wobei die Zylinderlängsachsen in den Ebenen E₁ und E₂ liegen, die jeweils senkrecht zu einander stehen (was nicht notwendigerweise der Fall sein muss). Ein Zylinder AZ in der ersten Ebene Ei ist (über Erhitzer E, Regenerator R und Kühler K) mit einem korrespondierenden Zylinder AZ in zweiten Ebene E₂ verbunden. Dieser ist wiederum mit dem zweiten Zylinder AZ' in der ersten Ebene verbunden, usw. Auf diese Weise wird ein Vierzylindermotor gebildet. Wie erwähnt sind jedoch auch Konstruktionen mit mehr als vier Zylindern möglich.

[0029] Ein Stufenkolben wie er in den obigen Beispielen einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ und vom (doppeltwirkenden) Alpha-Typ beschrieben wurde, lässt sich auch in einer Stirlingmaschine vom Beta-Typ einsetzen. Ein Beispiel einer Beta-Maschine ist in Fig. 9 dargestellt. Ähnlich wie eine Gamma-Maschine (vgl. Fig. 3) weist eine Beta-Maschine einen Verdrängerkolben VK sowie einen Arbeitskolben AK auf. Anders als im Beispiel gemäß Fig. 3 bewegen sich Verdrängerkolben VK und Arbeitskolben AK jedoch im selben Zylinder Z. Der Verdrängerkolben VK ist wie bei der Gamma-Maschine (vgl. Fig. 3) als Stufenkolben ausgebildet, wobei das Pleuel 12, welches den Stufenkolben VK mit der Kurbelwelle 10 verbindet, durch den zweiten Abschnitt S₂ des (zumindest teilweise hohlen) Stufenkolbens VK hindurch verläuft und im ersten Abschnitt S₁ des Stufenkolbens VK angelenkt ist. Die dargestellte Ausgestaltung des Verdrängerkolbens VK ermöglicht die Verwendung eines vergleichsweise langen Pleuels 12 und eine Verbesserung des Lambda-Wertes. Zur Aufnahme der Kolben-Seitenkraft senkrecht zur Mittelachse S des Zylinders Z kann im Bereich des großen Durchmessers D (Abschnitt S₁) des Stufenkolbens VK ein Führungselement F (Gleitflächen) vorgesehen sein. In Bezug auf den als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben VK wird im Übrigen auf die Beschreibung zu Fig. 3 verwiesen.

[0030] Der Arbeitskolben AK ist als ringförmiger Kolben (Ringkolben) ausgeführt und bewegt sich koaxial zum Verdrängerkolben VK. Der Außendurchmesser des Ringkolbens AK ist mit D_A bezeichnet und der Innendurchmesser des Ringkolbens entspricht (abgesehen vom Kolbenspiel) dem kleinen Durchmesser d des Stufenkolbens VK. Der Abschnitt S₂ des Stufenkolbens VK mit dem kleineren Durchmesser d ist durch den Ringkolben AK hindurchgeführt. Die Dichtringe (Kolbenringe) können am Ringkolben AK angeordnet sein, einmal außen dichtend (Dichtung 22a) einmal innen dichtend (Dichtung 22b). Gleichermaßen können die Führungs-Gleitflächen F am Ringkolben AK (innen und außen) angeordnet sein. Andere Gestaltungen sind diesbezüglich aber ebenso möglich, z.B. die Anordnung des Kolbenrings 22b am Stufenkolben VK im Abschnitt S₂ oder die Anordnung der Führungs-Gleitflächen F am Zylinder Z.

[0031] Wie in Fig. 9 dargestellt ist der als Ringkolben ausgestaltete Arbeitskolben AK über zwei symmetrisch zur Mittelachse S angeordnete Pleuel 11a, 11b mit der Kurbelwelle 10 gekoppelt. Um mehr Platz für die Anlenkung der oberen Enden der Pleuel 11a, 11b zu erhalten, ist der Zylinder Z stufenförmig ausgebildet, was einen größeren Außendurchmesser D_A des Ringkolbens AK im Vergleich zum Außendurchmesser D des Abschnitts S₁ des Stufenkolbens VK erlaubt. Die durch den größeren Außendurchmesser D_A gewonnene Kolbenfläche (Ringfläche (D_A²-d²)×π/4) kann genutzt werden, den Kolbenhub des Arbeitskolbens entsprechend zu verkleinern. Damit kann man bei den Pleueln 11a, 11b, die zwangsläufig kürzer sind als das Pleuel 12, ein ähnlich günstiges Lambda erreichen wie beim Pleuel 12 des Verdrängerkolbens VK. Die Kolbenflächen (Ringflächen) von Stufenkolben (Verdrängerkolben VK) und Ringkolben (Arbeitskolben AK) und die zugehörigen Kolbenhübe können so gewählt werden, dass das Verhältnis der Hubvolumina ca. 1:1 beträgt. In der Darstellung gemäß Fig. 6 befindet sich der Verdrängerkolben VK ungefähr auf halbem Hub, weshalb an der Kurbelwelle 10 keine Kröpfung sichtbar ist. Wie bei Gamma-Maschinen auch, eilt der Verdrängerkolben VK dem Arbeitskolben AK um etwa 90 Grad (in Bezug auf die Winkelstellung der Kurbelwelle 10) vor. Die Kurbelwelle 10 ist wie im Beispiel gemäß Fig. 3 im Pufferraum P angeordnet.

[0032] Fig. 10 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels aus Fig. 3. Die Beispiele aus Fig. 3 und 10 sind funktional und kinematisch äquivalent. Die beiden Beispiele unterscheiden sich lediglich im Aufbau des Verdrängerzylinders VZ und des darin angeordneten Verdrängerkolbens VK, wobei Kolbenhub und Zylindervolumen in beiden Varianten gleich sein können. Gemäß Fig. 10 wird statt eines Stufenkolbens ein etwas anders ausgestalteter Differentialkolben verwendet. Im vorliegenden Beispiel ist der Differentialkolben koaxial zu einem Rohrs R geführt, das in den Innenraum des Verdrängerzylinders VZ (und in den Differenzialkolben) hineinragt. Der Differentialkolben ist (zumindest teilweise) hohl und zwischen dem Rohr R und der Zylinderinnenwand angeordnet, sodass unterhalb des Differentialkolbens zwischen der Mantelfläche des Rohrs R und der Innenfläche des Zylinders ein ringförmiger Zylinderraum (Ringraum) entsteht, wie es auch bei der Verwendung eines Stufenkolbens der Fall wäre. Die in Fig. 10 nicht dargestellte Führung kann am Differentialkolben außen oder an der Zylinderinnenwand angeordnet sein. Das Rohr R ist starr mit dem Motorgehäuse verbunden (z.B. verschraubt) und die Dichtung 20 dichtet den Ringraum (d.h. die kühle Seite C des Verdrängerzylinders VZ) zur Innenseite des Differentialkolbens hin ab, wo der gleiche Druck herrscht wie im Pufferraum P. Die durch das Rohr R verlaufenden Pfeile in Fig. 10 deuten wieder die Möglichkeit einer Gasströmung und eines Druckausgleichs an (analog zu Fig. 5). Die Dichtung 21 muss lediglich eine Leckage verhindern, wie bereits in Bezug auf Fig. 3 erläutert. Das Pleuel 12 ist durch das Rohr R hindurchgeführt und im Inneren des Differentialkolbens VK angelenkt. Damit kann dasselbe günstige Verhältnis von Kurbelradius r_K zu Pleuellänge l_p (Lambda-Wert, siehe Fig. 1) erreicht werden wie in dem Beispiel aus Fig. 3. Im Übrigen wird auf die Erläuterungen zu Fig. 3 verwiesen.

[0033] Das Beispiel aus Fig. 11 ist eine Modifikation des Beispiels aus Fig. 5. Beide Bespiele sind funktional und kinematisch äquivalent. Gemäß Fig. 11 sind Verdrängerzylinder VZ und Verdrängerkolben VK gleich aufgebaut wie im vorherigen Beispiel aus Fig. 10. Diese Konstruktion ersetzt den Stufenkolben aus Fig. 5. Der Arbeitskolben AK ist gemäß Fig. 11 als Ringkolben ausgeführt, der ebenfalls zwischen einem Rohr R', das in den Arbeitskolben AK hinein ragt, angeordnet und zur Mantelfläche eines Rohrs R' hin abgedichtet ist (siehe z.B. Kolbenring 23). Das Rohr R' ist - analog zum Rohr R beim Verdrängerzylinder VZ - starr mit dem Motorgehäuse verbunden und ragt wie erwähnt in den Arbeitszylinder AZ hinein. Wie in Fig. 5 ist der Arbeitskolben AK hohl und erlaubt einen Druckausgleich zwischen dem Pufferraum P und dem Zylinderraum P' an der Stirnseite des Arbeitskolbens AK. Der Dichtring 22 ist im Wesentlichen gleich wie in Fig. 5. Der Dichtring 23 dichtet zwischen Arbeitskolben AK und Rohr R'.

[0034] Das Beispiel aus Fig. 12 ist eine Modifikation des Beispiels aus Fig. 4, wobei der Stufenkolben aus Fig. 4 durch einen Differentialkolben ersetzt wurde. Arbeitszylinder AZ und Arbeitskolben AK (Differentialkolben) sind im Wesentlichen so aufgebaut wie Verdrängerkolben VK und Verdrängerzylinder in Fig. 11 und es wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Wie bereits in Bezug auf Fig. 4 erläutert, können analog zu dem Beispiel aus Fig. 2 mehrere (z.B. vier) Zylindereinheiten zu einer doppelt-wirkenden Stirlingmaschine vom Alpha-Typ verbunden werden.

[0035] Fig. 13 zeigt ein Beispiel einer Heißgasmaschine, die unter dem Namen Manson-Motor bekannt geworden ist. Da das Arbeitsgas nicht in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert (sondern über ein Ventil eine Verbindung zum Pufferraum oder zur Atmosphäre besteht), ist der dargestellte Manson-Motor genau genommen keine Stirlingmaschine. Der Stufenkolben fungiert gleichermaßen als Verdränger- und Arbeitskolben und ist im vorliegenden Beispiel mit AK bezeichnet. An den oberen und unteren Totpunkten der Kolbenbewegung wird, beispielsweise über eine mechanische Ventilsteuerung, für kurze Zeit ein Ventil V geöffnet, welches den ringförmigen Zylinderraum (zwischen dem schmaleren Abschnitt des Stufenkolbens und der Innenwand des Zylinders AZ) mit dem Umgebungsdruck im Pufferraum P verbindet. Die mechanische Ventilsteuerung kann beispielsweise einen um einen Drehpunkt 40 schwenkbar gelagerten Hebel 41 umfassen, der mittels an der Welle 10 angeordnete Nocken 44a und 44b verkippt wird. Der Hebel 41 überträgt diese Kippbewegung auf den Ventilstößels des Ventils V gegen die Rückstellkraft einer Feder 42. Am unteren Ende des Hebels 41 kann eine Rolle 43 befestigt sein, die an der Welle 10 abrollt. Aufbau und Funktion eines Manson-Motors sind an sich bekannt (z.B. aus den Publikationen DE 199 04 269 A1 und GB 2554458 A) und werden daher hier nicht weiter erläutert. Die in Bezug auf die anderen Ausführungsbeispiele erläuterten Vorteile der Anlenkung des Pleuels 12 im Bereich des großen Durchmessers D des Stufenkolbens gelten auch für den Manson-Motor.

[0036] Bei manchen Konstruktionen von Stirlingmaschinen wird das Getriebe (vgl. Fig. 14, Getrieberaum G) nicht als Pufferraum genutzt, sondern arbeitet unter atmosphärischem Druck. In solchen Fällen muss der Pufferraum (der unter dem Druck des Arbeitsgases steht) gegen den Getrieberaum abgedichtet werden, was mit einer Kolbenstange beispielsweise mittels speziellen Dichtelementen erfolgt. Bewährt hat sich dabei die sog. "Leningrader Dichtung", bei der Dichtelemente mit einer Feder vorgespannt sind. Zwei konisch ausgeführte Scheiben pressen das Dichtelement gegen die Kolbenstange, um die Dichtfunktion einzuleiten. Ein derartiges Dichtelement ist an sich bekannt.

[0037] Ein solches Beispiel ist in Fig. 14 dargestellt. Fig. 14 zeigt eine Kolben-Zylindereinheit einer doppelt wirkenden Stirlingmaschine vom Alpha-Typ. Mehrere dieser Kolben-Zylindereinheiten (z.B. vier wie in dem Beispiel aus Fig. 2) können zu einer doppelt wirkenden Alpha-Maschine gekoppelt werden. Um Bauhöhe einzusparen, ist gemäß dem dargestellten Beispiel ein doppeltwirkender Stufenkolben als Arbeitskolben AK vorgesehen. Der Stufenkolben AK weist wie in den vorherigen Beispielen einen ersten Abschnitt S₁ mit einem größeren Durchmesser D und einen zweiten Abschnitt S₂ mit einem kleineren Durchmesser d auf, wobei der Stufenkolben AK zumindest teilweise (zumindest im Bereich des zweiten Abschnitts S₂ mit Durchmesser d) hohl ist. Anders als in dem Beispiel aus Fig. 4 ist jedoch der Stufenkolben AK nicht direkt mit einem Pleuel eines Kurbeltriebs verbunden, sondern weist (wie in dem Beispiel aus Fig. 2) eine Kolbenstange 13 auf. Anders als in dem Beispiel aus Fig. 2 können jedoch die Führungs- und Dichtelemente der Kolbenstange 13 innerhalb des dem Kurbeltrieb zugewandten Kolbenschaftes des Stufenkolbens (Abschnitt S₂ mit Außendurchmesser d) angeordnet sein. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Kolbenstange 13 z.B. über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle in gleicher oder ähnlicher Weise verbunden sein wie in dem Beispiel aus Fig. 2 (mit den damit verbundenen Nachteilen). Es kann daher besser sein, die Kolbenstange 13 mit einem Ross-Yoke, einem Schiefscheibentriebwerk oder einem Taumelscheibentriebwerk zu koppeln, da diese Getriebearten bauartbedingt kleinere Pleuelauslenkungen aufweisen oder keine Pleuel benötigen. Derartige Getriebe sind z.B. aus den Publikationen GB 2174457 A oder WO 2010/093666 A2 bekannt.

[0038] Der dem Kurbeltrieb (z.B. Kurbelwelle 10, vgl. z.B. Fig. 2) zugewandte zweite Abschnitt S₂ des Stufenkolbens AK mündet in einem Pufferraum P für das Arbeitsgas der Stirlingmaschine. Eine Trennwand 33 trennt das Kurbelgehäuse zwischen Pufferraum P und Getrieberaum G, in dem das Getriebe angeordnet ist (in Fig. 14 nicht dargestellt, vgl. Fig. 7 und 8). Die mit dem Stufenkolben AK verbundene Kolbenstange 13 ist durch eine Öffnung in der Trennwand 33 durchgeführt. Die Dichtung umfasst eine mit der Trennwand 33 starr verbundene Hülse 31, durch die die Kolbenstange 13 hindurch verläuft. Innerhalb der Hülse 31 ist ein ringförmiges Dichtelement 35 um die Kolbenstange 13 herum angeordnet. Das Dichtelement 35 wird entlang der Längsachse S der Kolbenstange 13 (Zylinderachse S) zwischen zwei konisch ausgebildeten Scheiben 34 geklemmt. Die dafür nötige Vorspannkraft wird von einer Feder 32 erzeugt, die innerhalb der Hülse 31 um die Kolbenstange 13 herum angeordnet sein kann (z.B. im Falle einer Spiralfeder) und die auf die Scheiben 34 eine Kraft entlang der Längsachse S der Kolbenstange 13 ausübt. In den Beispielen gemäß Fig. 2 und 4 erfolgt keine Trennung zwischen Pufferraum P und Getrieberaum G und der Kurbeltrieb ist in dem Pufferraum angeordnet. Das vorliegende Beispiel erlaubt hingegen eine Trennung von Pufferraum P und Getrieberaum G, sodass das Getriebe unter Umgebungsdruck arbeiten kann. Eine Konstruktion gemäß Fig. 2 würde theoretisch keinen Pufferraum benötigen. Bei dem vorliegenden Beispiel gemäß Fig. 5 kann ein separater Pufferraum P von Vorteil sein, da andernfalls der untere Kolbenabschnitt S₂ aufgrund seines verdrängten Volumens zu hohe Druckschwingungen und folglich zu hohe Kräfte auf das Gehäuse und die Trennwand 33 erzeugen würde.

[0039] Im Folgenden werden einige der oben beschriebenen Beispiele zusammengefasst. Die folgende Aufzählung mit 26 Beispielen ist lediglich exemplarisch und nicht als vollständige Auflistung zu verstehen.

[0040] Beispiel 1: Eine Heißgasmaschine, die folgendes aufweist:

ein Getriebe (10) mit einem Pleuel (12);

einen in einem Zylinder (VZ; AZ; Z) angeordneten doppeltwirkenden Stufenkolben (VK; AK), der einen ersten Abschnitt mit einen größeren Durchmesser (D) und einen zweiten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser (d) aufweist,

wobei der Stufenkolben (VK; AK) zumindest teilweise hohl ist, und das Pleuel (12) innen durch den zweiten Abschnitt (S₂) hindurch verläuft und im ersten Abschnitt (S₁) des Stufenkolbens (VK; AK) angelenkt ist.

[0041] Beispiel 2: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 1,
wobei der Stufenkolben (VK; AK) sowohl im ersten Abschnitt (S₁) als auch im zweiten Abschnitt (S2) Gleitflächen aufweist, die auf der Zylinderoberfläche gleiten.

[0042] Beispiel 3: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 1 oder 2,
wobei der Zylinder (VZ; AZ; Z) Führungselemente (F) aufweist, die im ersten Abschnitt (S₁) und im zweiten Abschnitts (S₂) des Stufenkolbens (VK; AK) auf der Kolbenoberfläche gleiten.

[0043] Beispiel 4: Die Heißgasmaschine gemäß einem der Beispiele 1 bis 3,
wobei der Stufenkolben (VK; AK) sowohl im ersten Abschnitt (S₁) als auch im zweiten Abschnitts (S₂) Dichtringe (20, 21) aufweist.

[0044] Beispiel 5: Die Heißgasmaschine gemäß einem der Beispiele 1 bis 4,
wobei das Pleuel (12) im Stufenkolben (VK; AK) mittels eines Gleitlagers oder eines Wälzlagers oder mittels eines sphärischen Gelenklagers angelenkt ist.

[0045] Beispiel 6: Die Heißgasmaschine gemäß einem der Beispiele 1 bis 5,
wobei der dem Getriebe zugewandte zweite Abschnitt (S₂) des Stufenkolbens (VK; AK) in einem Pufferraum (P) für das Arbeitsgas der Stirlingmaschine mündet.

[0046] Beispiel 7: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 6,
wobei das Getriebe (10) in dem Pufferraum (P) angeordnet ist.

[0047] Beispiel 8: Die Heißgasmaschine gemäß einem der Beispiele 1 bis 7,

wobei die Stirlingmaschine eine doppeltwirkende Stirlingmaschine vom Alpha-Typ oder eine Stirlingmaschine vom Beta- oder Gamma-Typ ist und

wobei das zwischen Zylinder (VZ; AZ) und dem zweiten Abschnitt (S₂) befindliche Ringvolumen im Betrieb mit gekühltem Arbeitsgas gefüllt ist.

[0048] Beispiel 9: Die Heißgasmaschine gemäß einem der Beispiele 1 bis 7,
wobei die Stirlingmaschine eine Stirlingmaschine vom Beta-Typ ist und einen in dem Zylinder (Z) angeordneten Ringkolben (AK) aufweist, durch den der zweite Abschnitt (S2) des Stufenkolbens (VK) hindurchgeführt ist.

[0049] Beispiel 10: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 9,
wobei das Getriebe (10) zwei weitere Pleuel (11a, 11b) aufweist, welche an dem Ringkolben (AK) symmetrisch zur Kolbenlängsachse (S) angelenkt sind.

[0050] Beispiel 11: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 9 oder 10,

wobei der Zylinder (Z) als Stufenzylinder ausgebildet ist, der einen ersten Abschnitt mit kleinerem Durchmesser (D) und einen zweiten Abschnitt mit größerem Durchmesser D_A) aufweist, und

wobei der Ringkolben (AK) in dem zweiten Abschnitt des Zylinders (Z) angeordnet ist.

[0051] Beispiel 12: Die Heißgasmaschine gemäß einem der Beispiel 1 bis 7, die weiter aufweist;
einen in einem weiteren Zylinder (AZ) angeordneten weiteren Kolben (AK), der mittels eines weiteren Pleuels (11) mit dem Getriebe gekoppelt ist.

[0052] Beispiel 13: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 12,
wobei der Stufenkolben ein Verdrängerkolben (VK) und der weitere Kolben ein Arbeitskolben (AK) ist, der ebenfalls als Stufenkolben oder als Ringkolben ausgebildet ist.

[0053] Beispiel 14: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 12 oder 13,

wobei sowohl in dem Zylinder (VZ) als auch in dem weiteren Zylinder (AZ) jeweils ein ringförmiger Zylinderraum gebildet wird, und

wobei der ringförmige Zylinderraum des Zylinders (VZ) und ringförmige Zylinderraum des weiteren Zylinders (AZ) über eine Leitung verbunden sind.

[0054] Beispiel 15: Eine Heißgasmaschine, die folgendes aufweist:

ein Getriebe (10) mit einem Pleuel (12);

einen Zylinder (VZ; AZ; Z); und

ein in dem Zylinder (VZ; AZ; Z) angeordneter Differentialkolben (VK; AK), wobei Zylinder (VZ; AZ; Z) und Differentialkolben (VK; AK) so ausgestaltet sind, dass in dem Zylinder ein ringförmiger Zylinderraum gebildet wird,

wobei der Differentialkolben (VK; AK) zumindest teilweise hohl ist, und das Pleuel (12) im Inneren des Differentialkolbens (VK; AK) an einer Position angelenkt ist, sodass der ringförmige Zylinderraum um das Pleuel (12) herum verläuft.

[0055] Beispiel 16: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 15,

wobei der Differentialkolben (VK; AK) ein Stufenkolben ist, der einen ersten Abschnitt (S₁) mit einen größeren Durchmesser (D) und einen zweiten Abschnitt (S₂) mit einem kleineren Durchmesser (d) aufweist, und

wobei der ringförmige Zylinderraum zwischen dem zweiten Abschnitt (S₂) des Stufenkolbens und einer Innenwand des Zylinders (VZ; AZ) gebildet wird.

[0056] Beispiel 17: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 16,
wobei das Pleuel (12) innen durch den zweiten Abschnitt (S₂) des Stufenkolbens hindurch verläuft und im ersten Abschnitt (S₁) des Stufenkolbens (VK; AK) angelenkt ist.

[0057] Beispiel 18: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 15, das weiter aufweist:
ein Rohr (R, R'), das in den Zylinder (VZ; AZ) hineinragt, wobei ein Ende des Differentialkolben (VK; AK) zwischen dem Rohr (R, R') und einer Innenwand des Zylinders (VZ; AZ) angeordnet ist.

[0058] Beispiel 19: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 18,
wobei das Rohr (R, R') soweit in den Zylinder (VZ; AZ) hineinragt, dass es auch ins Innere des Differentialkolbens (VK; AK) hineinragt, wenn dieser an seinem oberen Totpunkt ist.

[0059] Beispiel 20: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 18 oder 19,
wobei Rohr (R, R'), Differentialkolben (VK; AK) und Zylinder (VZ; AZ) koaxial zueinander angeordnet sind.

[0060] Beispiel 21: Die Heißgasmaschine gemäß einem der Beispiele 18 bis 20,
wobei das Rohr (R, R') relativ zum Zylinder (VZ; AZ) unbeweglich ist.

[0061] Beispiel 22: Die Heißgasmaschine gemäß einem der Beispiele 18 bis 21,
wobei zwischen dem Rohr (R, R') und einer Innenwand des Differentialkolbens (VK; AK) ein Dichtring (20) angeordnet ist.

[0062] Beispiel 23: Die Heißgasmaschine gemäß einem der Beispiele 15 bis 22, die weiter aufweist:
einen in einem weiteren Zylinder (AZ) angeordneten weiteren Kolben (AK), der mittels eines weiteren Pleuels (11) mit dem Getriebe gekoppelt ist.

[0063] Beispiel 24: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 23,

wobei sowohl in dem Zylinder (VZ) als auch in dem weiteren Zylinder (AZ) jeweils ein ringförmiger Zylinderraum gebildet wird, und

wobei der ringförmige Zylinderraum des Zylinders (VZ) und ringförmige Zylinderraum des weiteren Zylinders (AZ) über eine Leitung (L) verbunden sind.

[0064] Beispiel 25: Eine Heißgasmaschine, die folgendes aufweist:

ein Getriebe (10) das in einem Getrieberaum (G) angeordnet ist, in dem Umgebungsdruck herrscht;

einen in einem Zylinder (AZ) angeordneten doppeltwirkenden Stufenkolben (AK), der einen ersten Abschnitt mit einen größeren Durchmesser (D) und einen zweiten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser (d) aufweist,

wobei der Stufenkolben (AK) zumindest teilweise hohl ist und im inneren eine Kolbenstange (13) aufweist, die mit dem Getriebe mechanisch gekoppelt ist;

wobei der dem Getriebe zugewandte zweite Abschnitt (S₂) des Stufenkolbens (AK) in einen Pufferraum (P) für das Arbeitsgas der Stirlingmaschine mündet; und

wobei im Inneren des Stufenkolbens (AK) zumindest ein Teil einer Dichtungsvorrichtung angeordnet ist, welche eine Durchführung der Kolbenstange (13) zwischen Pufferraum (P) und Getrieberaum (G) abdichtet.

[0065] Beispiel 26: Die Heißgasmaschine gemäß Beispiel 25,
wobei die Dichtung eine Hülse (31) aufweist, in der eine Feder (3) angeordnet ist, die auf ein zwischen Hülse (31) und Kolbenstange (13) angeordnetes Dichtelement (35) drückt.

Ansprüche

1. Eine Heißgasmaschine, die folgendes aufweist:

ein Getriebe (10) das in einem Getrieberaum (G) angeordnet ist, in dem Umgebungsdruck herrscht;

einen in einem Zylinder (AZ) angeordneten doppeltwirkenden Stufenkolben (AK), der einen ersten Abschnitt (S₁) mit einen größeren Durchmesser (D) und einen zweiten Abschnitt (S₂) mit einem kleineren Durchmesser (d) aufweist,

wobei der Stufenkolben (AK) zumindest teilweise hohl ist und im inneren eine Kolbenstange (13) aufweist, die mit dem Getriebe mechanisch gekoppelt ist;

wobei der dem Getriebe zugewandte zweite Abschnitt (S₂) des Stufenkolbens (AK) in einen Pufferraum (P) für das Arbeitsgas der Heißgasmaschine mündet; und

wobei im Inneren des Stufenkolbens (AK) zumindest ein Teil einer Dichtungsvorrichtung angeordnet ist, welche eine Durchführung der Kolbenstange (13) zwischen Pufferraum (P) und Getrieberaum (G) abdichtet.

2. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 1,
wobei die Dichtungsvorrichtung eine Hülse (31) aufweist, in der eine Feder (32) angeordnet ist, die auf ein zwischen Hülse (31) und Kolbenstange (13) angeordnetes Dichtelement (35) drückt.

3. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 2,
wobei das Dichtelement (35) entlang eine Längsachse der Kolbenstange (13) zwischen zwei konisch ausgebildeten Scheiben (34) geklemmt ist.

4. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 2 oder 3,
wobei die Hülse (31) starr mit einer Trennwand (33) verbunden ist, die Pufferraum (P) und Getrieberaum (G) trennt und in der die Durchführung der Kolbenstange (13) angeordnet ist.

5. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei der Stufenkolben (AK) sowohl im ersten Abschnitt (S₁) als auch im zweiten Abschnitt (S2) Gleitflächen aufweist, die auf der Zylinderoberfläche gleiten.

6. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei der Zylinder (AZ) Führungselemente (F) aufweist, die im ersten Abschnitt (S₁) und im zweiten Abschnitts (S₂) des Stufenkolbens (AK) auf der Kolbenoberfläche gleiten.

7. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei der Stufenkolben (AK) sowohl im ersten Abschnitt (S₁) als auch im zweiten Abschnitts (S₂) Dichtringe (20, 21) aufweist.

8. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei der dem Getriebe zugewandte zweite Abschnitt (S₂) des Stufenkolbens (VK; AK) in einem Pufferraum (P) für das Arbeitsgas der Stirlingmaschine mündet.

9. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,

wobei die Heißgasmaschine eine doppeltwirkende Stirlingmaschine vom Alpha-Typ oder eine Stirlingmaschine vom Beta- oder Gamma-Typ ist und

wobei das zwischen Zylinder (VZ; AZ) und dem zweiten Abschnitt (S₂) befindliche Ringvolumen im Betrieb mit gekühltem Arbeitsgas gefüllt ist.

10. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei das Getriebe ein Ross-Yoke, ein Schiefscheibentriebwerk oder einem Taumelscheibentriebwerk ist.

Zeichnung